微型離子反應裝置的設計與研制

金子爍，趙明雪，朱寶偉，劉海燕

(1.遼寧省實驗中學 營口分校， 遼寧 營口 115003； 2.營口理工學院 化學與材料工程系，遼寧 營口 115014)

微型離子反應裝置的設計與研制

金子爍1，趙明雪1，朱寶偉2，劉海燕2

(1.遼寧省實驗中學 營口分校， 遼寧 營口 115003； 2.營口理工學院 化學與材料工程系，遼寧 營口 115014)

該裝置利用毛細管虹吸和微量進樣器輔助壓力的作用，將反應物注射在微型反應腔內進行化學反應，并通過顯微鏡與電腦和投影儀聯機，將實驗現象進行放大演示。超微型離子反應器結構簡單、制作成本低，藥品用量極少，減少環境污染，更便于清晰的觀察實驗過程及結果。

微型反應器；離子反應；化學實驗

高中化學課堂上，老師用試管做離子反應演示實驗時，坐在教室后排的學生很難觀察到實驗現象，在實驗過程中實驗藥品用量大、反應時間長、經常出現教室空氣污染超標等現象，而且實驗中產生的“廢水”“廢氣”“廢渣”難于處理。目前通過微型化學實驗可降低試驗藥品用量，縮短反應時間，同時解決強腐蝕、有毒和高污染排放等諸多難題[1-2]。然而國內外研究的微型化學反應裝置，一般適合學生在實驗室里操作實驗，不適合教師課堂演示時使用[3-4]。針對上述現象，我們設計研制一種能在顯微鏡下觀察化學實驗過程的實驗裝置，通過數碼光學顯微鏡與電腦和投影儀聯機，把實驗現象通過多媒體投影到大屏幕上，讓全班同學都能清楚地觀察到實驗過程和現象。實現微觀反應過程的放大化，給同學們帶來非常直觀視覺刺激與感受，激發他們學習化學的興趣，展示出化學學科的魅力。

1 微型離子反應裝置的設計原理

微型離子反應裝置的設計原理是將反應容器設計到微升級別，通過顯微鏡觀察到化學反應過程。我們利用毛細管虹吸和微量進樣器輔助壓力的作用，使反應物在微型反應腔內進行充分反應，反應過程通過視頻輸出，在多媒體投影儀上放大放映。反應結束后，可用微量進樣器負壓將產物吸出，反應裝置可以重復使用。

2 微型離子反應裝置的研制

最初利用實驗室中常見的毛細管、載玻片、硅膠材料、微量注射器等自行研制了第一批簡易微型離子反應器。產品的結構主要由兩個進樣通路，一個反應腔，兩個蓋玻片，一個注射器組成(如圖1)。

圖1 簡易微型離子反應器

將數碼光學顯微鏡與電腦投影儀相連，在液-液相離子反應實驗中，將微型化學反應器放在數碼光學顯微鏡的載物臺上，調焦至電腦中畫面清晰后，將反應溶液吸入注射器中，通過反應器進樣通路將反應物注射到反應腔內，然后從另一進樣口注射另一種反應物，在電腦顯示屏和投影屏幕上能清晰地觀察到反應過程與現象。例如圖2所示，鹽酸與碳酸鈉溶液反應生成二氧化碳的實驗現象，有大量氣泡產生。圖3所示，硝酸銀與氯化鈉反應生成氯化銀沉淀的實驗現象，有大量白色沉淀生成。

第一批簡易反應器制作地過程中出現反應腔制作不均勻，反應腔容積很難定量控制，外觀不美觀等問題。為了解決這些問題，進一步縮小反應容積，研制出恒容的超微型反應器，我們通過CAXA實體軟件制圖，應用3D打印技術研制了第二批超微量反應器，它的反應腔容積可恒定為10～50μL。產品的結構主要由兩個進樣通路，一個出樣排氣通道，一個反應腔，兩個載片槽，兩個膠塞口，兩個蓋玻片，兩個微量進樣器和一個注射器組成(如圖4)。

圖2 生成氣體的實驗現象

圖3 生成沉淀的實驗現象

圖4 左圖為CAXA實體軟件設計圖；右圖為3D打印實物圖

第二代微型反應器改變了輸送藥品和出樣方式，改成直線型進樣和直角型出樣，出樣口設置在反應腔的上半部分，有利于平衡氣壓和生成物的排出。頂部的蓋玻片可以裝卸，這樣解決了實驗局限于氣-液相和液-液相化學實驗的問題，液-固相實驗也可在此化學反應器中進行，提高了其應用的廣泛性。

3 微型離子反應裝置的特點

當前國內外研發的相關微型化學反應器，大多結構復雜、造價昂貴，不能普遍應用。我們研制的微型離子反應器結構簡單，制作成本低，可廣泛應用于中學、大學的離子反應實驗。本反應裝置主要有以下幾個方面的優勢：

①微離子反應器比國內外其他微型化學實驗產品更微小，在生物細胞級水平完成化學反應，通過顯微鏡與電腦投影儀聯機現場直接放大演示，便于清晰的觀察實驗過程及結果，激發學生學習興趣。②藥品用量少，減少貴重藥品成本，還可減少對環境的污染。③制作方法簡單，既可以自己動手制作，也可由廠家批量生產。④能改善實驗室環境，減少實驗室三廢排發，有益于師生的健康。⑤節省反應時間，儀器易沖洗，可以重復使用。

4 結語

在微型離子反應裝置的設計及實踐中，我們看到微型化學實驗比起常規實驗更加簡單易行、安全可靠、趣味性高、實驗現象明顯等優勢。并且在本校化學實驗教學中已經進行的使用，教學效果十分突出。 我們將繼續對該反應儀器進行研究和完善，開發出適用于多種反應類型的微型裝置，使儀器更具有實用性和新穎性，相信微型化學實驗儀器在中學、大學的化學實驗室里，具有廣泛的應用前景。

[1] 宋心琦. 關于發展和推廣微型化學實驗的一點看法[J]. 化學教學，2008 (2):1-2.

[2] 陳 凱，周志華. 中學微型化學實驗發展的若干思考[J].化學教育，2010, 31(8):6-9.

[3] 潘耀團，王向軍. 兩則中學微型化學實驗案例的設計[J].內蒙古民族大學學報，2009, 15(4): 173-174.

[4] 石宇婧. 高中化學教材中部分實驗的微型化設計研究[D].西安: 陜西師范大學，2013.

(本文文獻格式：金子爍，趙明雪，朱寶偉，等.微型離子反應裝置的設計與研制[J].山東化工，2017，46(04)：118-119.)

Design and Development of the Micro Ionic Reaction Appliance

JinZishuo1,ZhaoMingxue1,ZhuBaowei2,LiuHaiyan2

(1.Liaoning Province Shiyan High School Yingkou Campus,Yingkou 115003, China;2 Department of Chemical and Material Engineering, YingKou Institute of Technology,Yingkou 115014, China)

The compounds produce chemical reaction in the micro reaction cavity through capillary siphoning and trace injection pressure. The experimental phenomena is magnified demo via online of microscope, computer, and projector. The micro ionic reaction appliances are simple structure, low cost, drug dosage less, and reduce environmental pollution. In addition, the experimental process and results are more likely observed.

the micro reactor; ion reaction; chemical experiment

2016-12-28

金子爍(2000—)，高中二年級學生。通訊聯系人，劉海燕。

G633.8

A

1008-021X(2017)04-0118-02